4. Температурная зависимость вах диода

Для полупроводниковых диодов характерна сильная зависимость ВАХ от температуры, обусловленная экспоненциальным множителем в (10), температурной зависимостью масштабного тока , а также сопротивления базы .

Рассмотрим вначале температурную зависимость ВАХ идеального диода (1).

На обратной ветви ВАХ ( ) . Главным фактором, определяющим температурную зависимость теплового тока, является изменение с температурой собственной концентрации носителей заряда:

, (16)

где и — эффективные плотности квантовых состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, сравнительно слабо зависящие от температуры ( ). Пренебрегая этой зависимостью, получим:

(17)

где K, , ,

температура удвоения теплового тока.

На прямой ветви ВАХ ( ) согласно (1) и (16)

; ,

где В — константа, слабо зависящая от температуры. Отсюда:

. (18)

Зависимость прямой ветви ВАХ от температуры характеризуется температурным коэффициентом напряжения (ТКН)

. (19)

Дифференцируя (17) по температуре, получим для идеального диода:

. (20)

Соотношение (20) показывает, что для идеального диода при любых токах (поскольку ). В диапазоне средних токов типичным значением ТКН можно считать мВ/К. Отрицательное значение ТКН соответствует сдвигу ВАХ диода влево при повышении температуры (рис.5,а).

На участке ВАХ, где доминирующим является ток рекомбинации в ОПЗ (малые токи в кремниевых диодах), ТКН имеет вдвое меньшее по абсолютной величине значение:

. (21)

Соотношения (20) и (21) показывают, что с ростом тока (и следовательно, напряжения) абсолютная величина ТКН уменьшается.

В реальных диодах ТКН определяется соотношением

,

где . Сопротивление базы обычно возрастает с ростом температуры, т.к. область базы слабо легирована, и основным механизмом рассеяния носителей заряда является рассеяние на фононах. При этом на участке вырождения ВАХ , а при некотором токе (рис.5,б).

Лабораторное задание

1. Измерить прямую и обратную ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов в диапазоне температур .

2. Измерить зависимость обратного тока диодов от температуры при фиксированном напряжении В.

3. Построить прямую ветвь ВАХ для исследуемых диодов в полулогарифмических координатах. Из полученных результатов определить параметры диодов и при температурах и .

4. Построить прямую ветвь ВАХ в линейных координатах при и для германиевого и кремниевого диодов. Определить объемное сопротивление базы и ток вырождения для каждой ВАХ.

5. Вычислить дифференциальное сопротивление диодов при токах мА и мА.

6. Определить температурный коэффициент напряжения диодов при токах 10 мкА, 1 мА, 20 мА.

7. Построить обратную ветвь ВАХ диодов в линейных координатах при и . Определить характер изменения обратного тока диодов от приложенного напряжения.

Методика выполнения работы

В связи с экспоненциальной зависимостью прямого тока диода от напряжения удобнее при измерениях прямой ветви ВАХ задавать ток, а измерять напряжение на диоде (рис.6,а).

При измерении обратного тока на испытуемый диод подается обратное напряжение от регулируемого источника (рис.6,б). Величина напряжения контролируется вольтметром, а ток измеряется микроамперметром.

По результатам измерений прямой ветви ВАХ диода строится график в полулогарифмических координатах. Для этого по оси ординат откладывают ток диода в логарифмическом масштабе, а по оси абсцисс – напряжение на диоде в линейном масштабе. В указанных координатах ВАХ диода имеет постоянный наклон в некотором интервале прямых токов (рис.7).

Для определения параметров и выбираются две точки на линейном участке графика (точки 1 и 2 на рис.7), где влияние сопротивления не проявляется, а прямой ток . При этом, используя соотношение (13,а), получим:

.

При вычислении удобно выбрать отношение или 100 (см. рис.7). В случае

.

Параметр вычисляется, после чего определяется параметр .

Для масштабного тока при из (13,а) получаем:

или .

При токах через диод, превышающих ток омического вырождения (см. уравнение (15)), его ВАХ вырождается в прямую линию. Сопротивление базы диода удобно определить из этого участка ВАХ, построенной в линейных координатах, как котангенс угла наклона. Однако следует иметь в виду, что из-за эффекта модуляции проводимости базы ВАХ диода не является строго линейной, а сопротивление базы зависит от тока. Путем графического дифференцирования можно определить сопротивление базы диода в различных токах.